JP4174999B2 - Ｄｃ／ｄｃコンバータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子を同期整流器とするスイッチングコンバータから、他の直流電源が接続された負荷回路に対して所定の直流電圧を出力するＤＣ／ＤＣコンバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
低出力電圧のＤＣ／ＤＣコンバータの出力整流回路には、従来から一般にショットキ・バリア・ダイオード（ＳＢＤ）等のダイオード整流器が使用されていた。しかし、この種の出力整流回路は、ダイオード整流器の順方向電圧のために導通時の電力損失が大きくなり、効率低下の原因となっている。このため、出力整流回路に導通時の電気抵抗が低くかつ順方向電圧のないＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子を同期整流器として使用して、効率の改善を図った同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータが提案されている。
【０００３】
ここで、負荷回路への出力電圧値が０Ｖ以上の状態で起動する場合について、スイッチングコンバータの起動方法を説明する。
図６は、一対のＣＭＯＳＦＥＴを用いた降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータを示す図である。ここに示す降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチングコンバータの出力電圧が０Ｖ以上の場合からスイッチングコンバータを起動することが必要とされるスイッチングコンバータの代表的なものである。
【０００４】
スイッチングコンバータ１０は、ＰｃｈトランジスタＱ１とＮｃｈトランジスタＱ２を直列接続した一対のＣＭＯＳＦＥＴと、チョークコイルＬ、平滑コンデンサＣとから構成されている。スイッチングコンバータ１０には、同期整流方式の降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータが使用され、負荷回路１１には、スイッチングコンバータ１０と並列駆動をするように、他の直流電源として低ドロップアウト（ＬＤＯ）電圧レギュレータ１２が接続されている。
【０００５】
ＬＤＯ電圧レギュレータ１２は、ダイオードＤ１を介して負荷回路１１に接続されている。このダイオードＤ１は、スイッチングコンバータ１０の動作時に、ＬＤＯ電圧レギュレータ１２の出力と短絡状態になることを防止するために設けられたものである。
【０００６】
図６に示すＤＣ／ＤＣコンバータは、例えば演算処理を行っているＣＰＵ等のように、負荷回路１１が電力消費量の大きい動作状態（高電力消費状態）と、スタンバイ時など電力消費が小さい待機状態（低電力消費状態）との、２つの動作状態をもつ電子装置に対して使用することが想定されている。すなわち、高電力消費状態ではスイッチングコンバータ１０を用いて負荷回路１１を高電圧・大電流で駆動し、低電力消費状態では、例えばＬＤＯ電圧レギュレータ１２を他の直流電源として用いて、負荷回路１１を低電圧・小電流で駆動するものとする。
【０００７】
図７は、このようなＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説明するための概念図である。Ｉ１〜Ｉ４は、それぞれＰｃｈトランジスタＱ１とＮｃｈトランジスタＱ２を介してチョークコイルＬに流れる電流を示している。
【０００８】
負荷回路１１が低電力消費状態では、スイッチングコンバータ１０は停止状態にあって、ＬＤＯ電圧レギュレータ１２に相当する直流電源１３が動作して、負荷回路１１を駆動している。負荷回路１１を高電力消費状態に切り替えるときは、あらかじめスイッチングコンバータ１０の動作を開始するようにして、その後に、直流電源１３による駆動ではなくて、負荷状態が高電力消費状態に対応するようにスイッチングコンバータ１０による駆動に切り替えている。すなわち、負荷状態の変化前の低電力消費状態の間に、図７のＤＣ／ＤＣコンバータを予め負荷回路１１の駆動電圧が高くなるように設定しておくものとする。そのためには、ＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチングコンバータ１０によって出力電圧が０Ｖよりも大きい値をもつ状態から起動することが必要になる。
【０００９】
図８は、トランジスタＱ１，Ｑ２のゲート入力信号となるパルス波形を示す図である。図中、（Ａ）には起動信号を示しており、負荷回路１１を高電力消費状態に切り替える前に、あらかじめＤＣ／ＤＣコンバータを起動するように起動信号がオン状態となっている。同図（Ｂ）、（Ｃ）は、ＰｃｈトランジスタＱ１とＮｃｈトランジスタＱ２とをオンオフ駆動するゲート信号を示している。
【００１０】
従来の、一般的な同期整流方式の降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータでは、起動信号がオン状態になると、同一のゲート入力信号によってオンオフ駆動される。したがって、起動時には、図８のｔｂに示す期間のように、ＮｃｈトランジスタＱ２が長期間オン状態を繰り返す。期間ｔｃはＰｃｈトランジスタＱ１のオン期間であって、この間はＮｃｈトランジスタＱ２はオフ状態となる。
【００１１】
図９は、チョークコイルＬを流れる電流波形を示す図である。ＤＣ／ＤＣコンバータが起動直後であって、負荷回路１１が低電力消費での待機状態にある間、図７に示すチョークコイルＬを流れる電流Ｉ１〜Ｉ４は、図９のような三角波となる。ここに示すように、チョークコイルＬを流れる電流Ｉ３によって、図８のｔｂに示す期間に、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧に急峻なアンダーシュートを生じる。したがって、負荷回路１１に印加される起動時の出力電圧レベルは不安定になり、電子回路の信頼性が失われることになる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図１０は、従来のチョークコイルＬに流れる電流を阻止するようにした回路構成を示す図である。
【００１３】
従来のＤＣ／ＤＣコンバータでは、他の直流電源としてのＬＤＯ電圧レギュレータからＤＣ／ＤＣコンバータに切り替えて目標出力電圧まで立ち上げる際に、出力電圧に生じる上述したアンダーシュートによる不都合を避ける必要があった。そのために、平滑コンデンサＣと負荷回路１１との間にさらにダイオードＤ２を設けて、チョークコイルＬに流れる電流Ｉ３を阻止することにより、アンダーシュートを惹き起こさないようにしていた。
【００１４】
しかしながら、このようなダイオードＤ２をＤＣ／ＤＣコンバータの出力側に接続していると、高電力消費時に負荷回路１１に供給すべき大電流がダイオードＤ２にも流れることになって、ダイオードＤ２での電流損失が顕著となる。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いた電源システムの効率が悪化するという問題があった。
【００１５】
この発明の目的は、スイッチング電源から他の直流電源（例えばＬＤＯ）に接続された負荷回路に直流電圧を供給する場合に、アンダーシュートを生じることなくスイッチングコンバータの起動が可能なＤＣ／ＤＣコンバータを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、スイッチング素子を同期整流器として使用するスイッチングコンバータから、他の直流電源が接続された負荷回路に対して、前記スイッチングコンバータの出力電圧値が０Ｖを超えたとき前記同期整流器としてのスイッチング素子におけるスイッチング動作を開始して所定の直流電圧を出力する同期整流型のＤＣ／ＤＣコンバータが提供される。このＤＣ／ＤＣコンバータは、前記スイッチングコンバータにおいて前記スイッチング素子と前記負荷回路との間にチョークコイルを備え、前記スイッチングコンバータの出力電圧値が、前記チョークコイルに流れる電流の最小値が０Ａ以上である状態に相当する値になったことを検出することにより、前記出力電圧値が０Ｖを超えたと判定する検出手段と、前記検出手段の判定により前記同期整流器としてのスイッチング素子を動作状態と停止状態との間で切替え制御する制御手段とから構成される。
【００１８】
また、前記スイッチングコンバータの出力電圧と、前記チョークコイルに流れる電流の最小値が０Ａ以上である状態に相当する基準電圧値とを比較するコンパレータと、前記スイッチングコンバータの出力電圧が前記基準電圧値を超えるまでは前記同期整流器としてのスイッチング素子を停止状態にし、前記基準電圧値を超えるとき前記同期整流器としてのスイッチング素子を停止状態から動作状態へ切り替えるように、前記コンパレータからの検出信号で制御されるゲート回路とから構成される。
【００１９】
この発明では、他の直流電源が接続された負荷回路に直流電圧を供給するスイッチング素子を同期整流器とするスイッチングコンバータにおいて、予め負荷回路の駆動電圧が高くなるようにスイッチングコンバータを設定する際に、スイッチングコンバータの出力側にダイオード等のアンダーシュート防止装置を設ける必要がなくなる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態の説明に先立って、この発明の動作原理について、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、この発明のＤＣ／ＤＣコンバータの原理的な構成を説明するためのブロック図である。
制御回路１４は、チョークコイルＬに流れる電流値に応じて、ＮｃｈトランジスタＱ２をオンオフする動作状態と停止状態との間で切替え制御する制御手段を構成している。動作監視回路１５は、チョークコイルＬに流れる電流、または出力電圧を監視し、チョークコイルＬに流れる電流の最小値が０Ａ以上となったことを検出する検出手段を構成している。この検出手段は、スイッチング動作の開始時点で出力電圧値が０Ｖを超えているかどうかを検出する機能を併せ持つ構成としてもよい。
【００２２】
なお、図１における負荷回路１１、直流電源１３など、他の構成要素には、従来のＤＣ／ＤＣコンバータと対応する部分に同一の符号を付けてあり、ここではそれらの説明を省略する。
【００２３】
図２は、トランジスタＱ１，Ｑ２のゲート入力信号となるパルス波形，及びチョークコイル電流を示す図である。図中、（Ａ）には起動信号を示しており、負荷回路１１を高電力消費状態に切り替える前の、期間ｔａでＤＣ／ＤＣコンバータを起動するように起動信号がオン状態となっている。同図（Ｂ）、（Ｃ）は、ＰｃｈトランジスタＱ１とＮｃｈトランジスタＱ２とをオンオフ駆動するゲート信号を示している。また、同図（Ｄ）では、チョークコイルＬに流れるコイル電流の波形を示す。
【００２４】
ここでは、起動信号によってＤＣ／ＤＣコンバータが動作開始した時に、トランジスタＱ１，Ｑ２のうちＰｃｈゲート信号だけがゲート入力信号として供給され、Ｎｃｈゲート信号は負荷回路１１を高電力消費状態に切り替える前の、期間ｔａでは停止している点に特徴がある。
【００２５】
つぎに、図１のＤＣ／ＤＣコンバータの動作について説明する。
ＤＣ／ＤＣコンバータが起動した後、チョークコイルＬに流れる電流の最小値が０Ａ以上の状態に達するまでの期間（図２のｔａ期間）は、図１に示す制御回路１４からＮｃｈゲート信号としてＬＯＷ信号を出力し、同期整流動作をするＮｃｈトランジスタＱ２をオフ状態にする。この間、スイッチングコンバータの転流動作は、ＮｃｈトランジスタＱ２の寄生ダイオードを用いて行われる。図１の電流Ｉ２がＮｃｈトランジスタＱ２の寄生ダイオードを通して流れる。
【００２６】
これにより、スイッチングコンバータの出力となるチョークコイルＬと負荷回路１１の間に、従来のようなダイオードＤ２（図１０参照）を設けなくても、図１に示す電流Ｉ３及びＩ４を遮断することが可能となる。したがって、他の直流電源に接続された負荷回路１１に直流電圧を供給するＮｃｈトランジスタＱ２を同期整流器とするスイッチングコンバータにおいて、予め負荷回路１１の駆動電圧が高くなるようにスイッチングコンバータを設定する際に、ＤＣ／ＤＣコンバータの起動時における出力電圧からは、アンダーシュートが確実に阻止されることになる。
【００２７】
図３は、図２のｔａ期間におけるチョークコイルＬの電流波形を拡大して示す図である。
この図３に示すように、チョークコイルＬに流れる電流は、ＰｃｈトランジスタＱ１からの電流Ｉ１，Ｉ２だけとなり、平滑コンデンサＣに流れる電流は最低でも０Ａ以上の値に保たれる。つぎに、チョークコイルＬの電流の最小値が０Ａ以上となった時、すなわち図２のｔａ期間を超えた時、図１の制御回路１４によりＮｃｈトランジスタＱ２をオンオフ動作状態に切り替える。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータの起動後の動作を、安定した同期整流状態に切り替えることが可能になる。
（実施の形態）
図４は、この発明のＤＣ／ＤＣコンバータの具体的な例を示す図である。
【００２８】
このＤＣ／ＤＣコンバータは、動作監視回路１５の一例として、基準電圧ＶｒｅｆとＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を比較して、出力電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ以下の場合に、図１の制御回路１４に対する検出信号を出力するコンパレータ１６が用いられている。また、制御回路１４には、ＮｃｈトランジスタＱ２を停止状態とするように、コンパレータ１６からの検出信号で制御されるアンドゲートＧ１が用いられている。
【００２９】
このコンパレータ１６によって、スイッチングコンバータの出力電圧が基準電圧Ｖｒｅｆを超えるときに、ＮｃｈトランジスタＱ２をオンオフ状態に切り替えるように、アンドゲートＧ１が制御される。基準電圧Ｖｒｅｆの値は、スイッチングコンバータの出力電圧が基準電圧Ｖｒｅｆと同じ値となった時、チョークコイルＬの電流の最小値が０Ａ以上となるような値に設定されている。
【００３０】
図５は、図４のＤＣ／ＤＣコンバータの起動時の出力電圧を、従来のＤＣ／ＤＣコンバータ（図７）の起動時のものと比較して示す電圧波形図である。
ここでは、オシロスコープによる掃引測定は、負荷回路１１に１２ｋΩの抵抗を用いて行った。ＤＣ／ＤＣコンバータの起動前は、直流電源１３から負荷回路１１に対して１．２Ｖの電圧を印加し、つぎに、その状態からＤＣ／ＤＣコンバータを１．５Ｖ出力で起動するようにして測定を行った。また、本実施例の回路では、チョークコイルＬの電流の最小値が０Ａ以上となるときの出力電圧の最小値が１．３５Ｖであったため、基準電圧をＶｒｅｆ＝１．３５Ｖとした。
【００３１】
図５（ｂ）に示すように、従来の起動波形には、およそ０．８Ｖのアンダーシュートが生じていた。しかし、この実施の形態によるＤＣ／ＤＣコンバータを用いた場合には、図５（ａ）に示すように、起動波形のアンダーシュートを０Ｖにまで抑制することができる。
【００３２】
このように、実施の形態のＤＣ／ＤＣコンバータによれば、スイッチングコンバータの出力電圧が０Ｖ以上の状態から、スイッチングコンバータを起動する場合に、その起動波形からアンダーシュートを抑制し、除去することができる。したがって、従来のように、ダイオード等のアンダーシュート防止装置をスイッチングコンバータの出力側に設けるなどによって、スイッチングコンバータ起動時のアンダーシュートを防止する必要がなくなるから、ダイオード等のアンダーシュート防止装置の損失によるシステムの効率の低下も、簡単に防止することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明のＤＣ／ＤＣコンバータによれば、他の直流電源に接続された負荷回路に直流電圧を供給するスイッチング素子を同期整流器とするスイッチングコンバータにおいて、予め負荷回路の駆動電圧が高くなるようにスイッチングコンバータを設定する際に、スイッチングコンバータの出力側にダイオード等のアンダーシュート防止装置を設ける必要がなくなって、これによりシステムの効率の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のＤＣ／ＤＣコンバータの原理的な構成を説明するためのブロック図である。
【図２】ＤＣ／ＤＣコンバータにおけるゲート入力信号のパルス波形，及びチョークコイル電流を示す図である。
【図３】図２のｔａ期間におけるチョークコイルＬの電流波形を拡大して示す図である。
【図４】この発明のＤＣ／ＤＣコンバータの具体的な例を示す図である。
【図５】図４のＤＣ／ＤＣコンバータの起動時の出力電圧を、従来のＤＣ／ＤＣコンバータの起動時のものと比較して示す電圧波形図である。
【図６】一対のＣＭＯＳＦＥＴを用いた従来の降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータを示す回路図である。
【図７】図６に示すＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説明するための概念図である。
【図８】起動時のトランジスタのゲート入力信号となるパルス波形を示す図である。
【図９】チョークコイルＬを流れる電流波形を示す図である。
【図１０】従来のＤＣ／ＤＣコンバータの別の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
１０ スイッチングコンバータ
１１ 負荷回路
１２ 低ドロップアウト（ＬＤＯ）電圧レギュレータ
１３ 直流電源
１４ 制御回路
１５ 動作監視回路
１６ コンパレータ
Ｇ１ アンドゲート
Ｌ チョークコイル
Ｑ１ Ｐｃｈトランジスタ
Ｑ２ Ｎｃｈトランジスタ
Ｃ 平滑コンデンサ
Ｄ１ ダイオード

Claims (6)

1. スイッチング素子を同期整流器として使用するスイッチングコンバータから、他の直流電源が接続された負荷回路に対して、前記スイッチングコンバータの出力電圧値が０Ｖを超えたとき前記同期整流器としてのスイッチング素子におけるスイッチング動作を開始して所定の直流電圧を出力する同期整流型のＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、
   前記スイッチングコンバータは、前記スイッチング素子と前記負荷回路との間にチョークコイルを備え、
   前記スイッチングコンバータの出力電圧値が、前記チョークコイルに流れる電流の最小値が０Ａ以上である状態に相当する値になったことを検出することにより、前記出力電圧値が０Ｖを超えたと判定する検出手段と、
   前記検出手段の判定により前記同期整流器としてのスイッチング素子を動作状態と停止状態との間で切替え制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
2. 前記検出手段では、前記チョークコイルに流れる電流の最小値が０Ａ以上である状態に相当する値になったことを検出することにより、前記スイッチングコンバータの起動が完了したと判定し、
   前記同期整流器としてのスイッチング素子を停止状態から動作状態に切り替えることを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
3. 一対のＭＯＳＦＥＴにより前記スイッチングコンバータを構成して、前記ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを転流素子として用いて起動することを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
4. 前記スイッチングコンバータは、同期整流動作をする降圧型コンバータであることを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
5. 前記スイッチングコンバータの他の直流電源として低ドロップアウト（ＬＤＯ）電圧レギュレータを備え、前記負荷回路に対して所定の電力を供給することを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
6. スイッチング素子を同期整流器として使用するスイッチングコンバータから、他の直流電源が接続された負荷回路に対して所定の直流電圧を出力する同期整流型のＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、
   前記スイッチングコンバータは、前記スイッチング素子と前記負荷回路との間にチョークコイルを備え、
   さらに、前記スイッチングコンバータの出力電圧と、前記チョークコイルに流れる電流の最小値が０Ａ以上である状態に相当する基準電圧値とを比較するコンパレータと、
   前記スイッチングコンバータの出力電圧が前記基準電圧値を超えるまでは前記同期整流器としてのスイッチング素子を停止状態にし、前記基準電圧値を超えるとき前記同期整流器としてのスイッチング素子を停止状態から動作状態へ切り替えるように、前記コンパレータからの検出信号で制御されるゲート回路と、
   を備えることを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。

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